收稿日期:2009-09 作者简介:徐苒(1985—),女,硕士研究生,研究方向为在线检测技术。

基于N I E L V I S I I 的温度采集系统设计徐　苒,金暄宏,戴曙光(上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093) 摘要:介绍E L V I S 在温度采集系统设计中的应用,探讨以虚拟仪器为核心的数据采集系统及其实现信号检测技术的设计方案。

利用E L V I SI I 实验板以及开发软件L a b V I E W 搭建一个温度检测系统,结果表明,E L V I S 平台比传统的数据采集装置更具有灵活性、创新性和实践性。

关键词:E L V I SI I ;虚拟仪器;温度信号检测中图分类号:T P 39 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2010)02-0033-03T h e T e m p e r a t u r e T e s t i n g E x p e r i m e n t B a s e d o n N I E L V I S I IX UR a n ,J I NX u a n -h o n g ,D A I S h u -g u a n g(S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y O p t i c a l -e l e c t r i c a l a n d C o m p u t e r E n g i n e e r i n g C o l l e g e ,S h a n g h a i 200093,C h i n a )A b s t r a c t :T h e a p p l i c a t i o n o f E L V I S i n t h e s y s t e md e s i g n i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r .T h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e d o n v i r t u a l i n s t r u m e n t i s p r e s e n t e d ,a n d d e s i g n sc h e m e s o f s i g n a lde t e c t i n g t e c h n i q u e a r e p r o p o s e d .T h e t e m p e r a -t u r e t e s t i n g s y s t e mi s b a s e d o n N I E L V I S I I a n d t h e L a b V I E W s of t w a r e .T h e r e s u l t s p r o v e t h a t E L V I S i s m o r e f l e x i b l e ,i n n o v a t i v e a n d p r a c t i c a l c o m p a r e d w i t h t h e t r a d i t i o n a l d a t a a c q u i s i t i o n d e v i c e .K e y w o r d s :E L V I S ;v i r t u a l i n s t r u m e n t ;t e m p e r a t u r e s i g n a l d e t e c t i n g1　E L V I S 简介N I 教学实验室虚拟仪器套件(N I E L V I S )是动手设计与原型设计平台,它集成了最常用的12个仪器,包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特图分析仪等,将它们集成在适合于硬件实验室中使用。

基于N I L a b V I E W 图形化系统设计软件,带有U S B 即插即用功能的N I E L V I S 提供了虚拟仪器的灵活性,并且允许进行快速简单的测量采集与显示。

全新的U S B 即插即用连接性简化了试验设备的搭建和维护,用户现在可以使用个人电脑对应用进行测试和原型设计,并通过U S BM 系列数据采集设备来完成数据采集任务。

此外,本系统用到的N I E L V I S I I 还根据用户反馈,比之前的版本增加了牢固性。

各部分名称如图1所示。

1.1　安装在计算机上的软面板仪器(S F P )如图1所示,计算机平台上安装有虚拟仪器软件开发工具L a b V I E W ,E L V I S 加载了在L a b V I E W 中创建的S F P 仪器以及仪器的源代码,用户可以通过修改L a b V I E W 代码来修改S F P 的功能或者提高它们的功用。

这些软面板仪器都是系统设计中典型的和必须的通用电子仪器的虚拟仪器,主要包括示波器、函数发生器、数字万能表、可编程控制的电源以及波特分析器、动态信号分析仪与任意波形发生器。

1.2　用户自定义工作台如图1,原型实验面包板与工作台相连接,在此上搭建模拟电路,允许设计过程中输入/输出信号的连接,同时原型面包板上给出了E L V I S 所有的信号终端,它们分列在电路面包板两旁,并通过电缆连接至电①计算机上的软面板仪器(S F P )　②U S B 即插即用电缆　③用户自定义工作台　④原型实验面包板　⑤和⑥是电源适配器和电源线图1　N I E L V I S I I 系统·33·2010年第2期 仪表技术脑,将采集到的测量温度、压力、速度等不同类型的电信号送入计算机处理,或者输出控制信号等。

特别适合实验教学、电路设计及仪器测试与控制。

2　在N I E L V I S 上实现温度采集系统设计温度采集系统主要包括温度检测电路、放大电路;虚拟仪器部分采用编程语言L a b V I E W 编写,实现温度采集、模式转换、数据记录等功能的测量界面及程序框图。

2.1　在E L V I S 平台上完成系统的测温电路搭建铂热电阻R t 作为典型的温度传感器,需要外加电源使流经它的电流成规定值,同时电阻值R t 会随环境温度的改变而改变,关系如式(1)所示:R t =R 0(1+A t +B t 2)(1)式中:R 0=100Ψ,A ≈3.92×10-3(1/℃),B ≈-5.80×10-7(1/℃)2。

测量该电流在热电阻两端产生的电压降,从而达到测温的目的。

一般测温场合下可以略去B 的影响,则式(1)可简化为式(2),即P t 电阻的电阻-温度特性接近线性。

R t =R 0(1+A t )(2)测量电路中使用两线制不平衡电桥法测量温度,原理如图2所示。

R 1、R 2、R 3为电桥臂的固定电阻,R m 为电桥显示仪表M 的内阻,测量过程中,把热电阻R t 作为第4个桥臂接入桥路后,由于电桥设计为不平衡,所以显示仪表M 中有电流流过,流过的电流I m 为式(3),其中K 为式(4)。

I m =U a b·R 1R 3-R 2R tK(3)K =R mR 1+Rt R 2+R 3+R 2R 3R 1+R t+R 1R t R 2+R 3(4)图2　两线制不平衡电桥根据电流I m 的大小,M 可以指示出热电阻的阻值,也可以直接指示出温度。

由式(3)可知,电流I m 与U a b 成正比,因此,为了保证电压仪表的恒定性,必须保证U a b 不变,为此,使用电流调节电阻R r 来保证U a b 不变。

在本实验过程中,必须对U a b的恒定性进行检查,检查时,通过切换开关X 1,热电阻R t 被检查电阻R 4代替,在显示仪表M 上刻有一条红线,调节电阻R r 使得M 的指示为红线位置时,表示U a b符合要求。

图3所示为工作台仿真软件M u l t i s i m 下的温度检测电路,实际工作台上的电路搭建与其完全相同。

首先由铂热电阻对温度信号进行采集,通过不平衡电桥进入差动放大电路进行放大处理,热电阻旁的电容起滤波作用。

将工作台上的电路输出端连接至A n a l o g I n p u t S i g n a l s 模块中的A I 0端,由信号采集及处理软件L a b V I E W 进行温度的采集、实时显示以及保存。

图3　温度检测仿真电路整个电路的功能包括温度信号的采集、放大以及提取。

其中放大器使用O P 07,放大器的供电电源为±15V 或者可选电压;R t 是热电阻铂100,R 7、R 8、R 9、R 10应当采用配对电阻。

整个电路采用±15V 恒压源或者0～12V 的任意电压供电,它们都位于工作台的左下角D Cp o w e r s u p p l i e s 模块和V a r i a b l e P o w e r S u p -p l i e s 模块;同时在M A X 中注意选择通道a i 0。

测量时,首先将铂电阻放入冰水混合物中,即零摄氏度,此时电阻值为100Ψ,拿出铂电阻处于室温时,电阻变化量为ΔR ,此时不平衡电桥输出端有电压信号输出U a b,其大小可由式(5)求出;之后由差动放大器进行放大处理,本系统的不平衡电桥电路的电压灵敏度约为1.913m V /℃,要使整个电路达到10m V /℃的灵敏度,放大电路的放大倍数大概在5至6之间,可以根据式(6)选择合适的增益大小;最终,热电阻R t 的阻值与输出电压U 0之间的关系如式(7)所示。

U a b =R 2ΔR R 2+R t R 2+R 1·U i(5)U 0=U a b 1+2R 4R 5(6)R t =1.12U 0+10110-U 0(7)·34·仪表技术 2010年第2期2.2　用L a b V I E W 编写程序完成数据的采集与处理E L V I S 平台的开发软件就是L a b V I E W 软件。

L a b V I E W 是一种图形化的编程语言,它提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存贮。

本系统的程序前面板设计如图4所示,具体功能要求如下:(1)实现100个点的温度采集;(2)温度超过设定点会报警,同时A l a r m C o u n t e r 加1;(3)当用户单击“开始采集”按钮后,系统开始采集数据,采集过程中若单击“暂停”按钮则会弹出对话框暂停采集;(4)既可用华氏也可用摄氏实时的在图表中显示温度值并将结果包括用户信息保存在用户指定路径的表格文件中。

图4　前面板设计程序框图设计如图5所示,考虑到采集到的是电压信号,需要将其转换成温度信号才能显示。